钢筋混凝土斜支撑-框架结构抗震设计分析

魏毅，郑恒祥

（华北水利水电大学，郑州 450045）

1 引言

钢筋混凝土框架结构具有柱网布置灵活，可提供较大的使用空间；结构延性大，耗能能力好；造价较低且施工方便的特点，而成为一种被广泛应用的抗震结构体系，多用于多层及小高层建筑。然而，当框架结构的建筑竖向高度过大或者场地位于高烈度地震区时，在水平地震力作用下很难满足结构抗震规范的设计要求。以往通常选择框架剪力墙结构来代替纯框架结构。增加剪力墙后，框架结构的侧向刚度虽然可以得到显著提高，但也使得其延性降低，自振周期减小，结构吸收的地震能量明显增大。因此，在既能满足抗震设计规范要求，又能降低工程造价的同时，选择一种经济合理的结构体系是至关重要的。钢筋混凝土斜支撑框架结构是一种介于框架结构和框架剪力墙结构的组合结构体系，具有良好的抗震性能，并满足结构的安全性和经济性[1]。对钢筋混凝土斜支撑框架结构的研究具有一定的工程经济实用价值。

本文通过一个工程实例，运用PKPM中SATWE计算软件，分别对采用纯框架结构、框架剪力墙结构和增设有不同型式的钢筋混凝土斜支撑（X型、人字型、单向型）的框架结构的不同结构体系进行计算结果的对比分析，进而研究分析钢筋混凝土斜支撑框架结构的抗震性能。

2 抗震性能分析

2.1 工程概况

本工程为某医院医疗综合办公楼项目，总建筑面积约1.5×105m2。其中，地上建筑面积为9 285m2，地下建筑面积为 5 661m2。地上 8 层，地下 1 层。其中，1、2 层层高为 4.2m，3～8层层高为3.6m。建筑总高度为33.0m。

抗震设防烈度为7度（0.15g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。基本风压为0.45kN/m2，基本雪压为0.35kN/m2。

2.2 设计方案

本项目采用3种不同的结构方案，即：纯框架结构、框架剪力墙结构和钢筋混凝土斜支撑框架结构。其中，斜撑型式分别采用常见的X型斜支撑、人字型斜支撑、单向型斜支撑。框架结构柱网布置见图1，支撑类型见图2。混凝土强度等级：1、2层墙柱支撑采用C40，梁板采用C35；3、4层墙柱支撑采用C35，梁板采用C30；5～8层墙柱梁板支撑均采用C30。墙柱梁板斜撑纵向受力钢筋均采用HRB400，箍筋采用HRB400。框架梁柱截面：地下1层主楼范围内为柱700mm×700mm，其余为柱600mm×600mm；一层柱为700mm×700mm，车库顶板梁为 350mm×850mm 主楼梁为 300mm×750mm；3、4 层柱为650mm×650mm，梁为 300mm×750mm；5～8层柱为 600mm×600mm，梁为300mm×750mm；板：1层主楼范围内为180mm，车库顶板为250mm；2～8层板为110mm，屋顶层板为120mm。斜支撑截面为300mm×350mm。剪力墙宽为300mm。

图1 标准层框架结构柱网平面布置图

图2 框架结构支撑类型

2.3 计算结果与分析

结构计算分析软件采用PKPM4.3中的SATWE计算程序。分别对3种不同的结构方案进行计算。在多遇地震作用下的整体结构计算结果见表1～表3。

表1 自振周期计算结果s

表2 最大层间位移角计算结果rad

表3 基底剪力计算结果kN

从表1、表2、表3中可以得出：纯框架结构、框架剪力墙结构和3种不同型式（X型、人字型、单向型）的斜支撑框架的自振周期比值分别为第一周期T1（1∶0.564∶0.687∶0.684∶0.766）、第二周期T2（1∶0.517∶0.646∶0.649∶0.736）、第三周期（扭转周期）T3(1∶0.445∶0.545∶0.550∶0.649)。

最大位移角θ比值为：X方向地震作用下的θX（1∶0.425∶0.531∶0.542∶0.662），Y方向地震作用下θ（Y1∶0.404∶0.508∶0.537∶0.649）。

基底剪力比值为：X方向地震作用下的θX（1∶1.949∶1.442∶1.340∶1.187)，Y方向地震作用下θY(1∶2.560∶1.597∶1.576∶1.381）。

从以上计算结果的比值得知，纯框架结构、框架剪力墙结构和3种不同型式斜支撑结构的最大层间均满足小于1/550的限值要求。多遇地震作用下,纯框架结构、框架剪力墙结构和斜支撑框架结构（X型、人字型、单向型）的自振周期、最大层间位移角和基底层剪力相比：斜向支撑结构自振周期和最大层间位移角均小于框架结构、大于框架剪力墙结构，3种不同类型的斜支撑的最大层间位移角单向斜支撑大于X型斜支撑和人字型，X型斜支撑和人字型框架结构的自振周期相差不大；斜向支撑结构的基底层剪力大于框架结构、小于框架剪力墙结构，3种不同类型的斜支撑的基底层间力单向斜支撑小于X型斜支撑和人字型，X型斜支撑和人字型框架结构的自振周期相差不大。

综上，添加斜支撑可以较显著地提高框架结构的侧向刚度，降低其最大层间位移角。框架剪力墙结构整体刚度偏大，周期较短，同样地震作用下吸收的水平地震力过多，一定程度上造成建筑材料的浪费。斜支撑框架结构的整体抗震性能介于框架结构和框架剪力墙之间，既能很好地满足抗震设防要求，又能兼具框架结构的优点，是一种经济合理的结构体系。从3种不同类型的钢筋混凝土斜支撑的计算结果中可以发现，不同型式的斜支撑的抗震性能也不相同，对于通常选用的斜支撑型式：X型、人字型斜支撑结构体系的侧向刚度相差不大，约相当于框架剪力墙结构的60%～70%；单向斜的结构体系的侧向刚度约相当于剪力墙的30%～40%。处于高烈度地震区和竖向高度较大的建筑，可以优先选择X型、人字型斜支撑；单向斜支撑多适用于建筑超过纯框架结构限值高度不大的范围内。

3 斜支撑框架结构的设计要点

斜支撑框架结构体系是一种组合结构体系。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[2]中提出，当抗震设防烈度为6～8度且建筑物高度超过规定限值时可以使用钢支撑框架结构。随着对钢筋混凝土斜支撑框架结构的不断研究，其在实际工程中也得到了一定程度的应用和发展。

根据以往的研究总结，钢筋混凝土斜支撑框架结构的设计过程中应注意以下几点：

1）斜支撑框架结构的建筑最大高度不宜超过框架结构和框架剪力墙结构高度限值的平均值。

2）斜支撑的布置宜在结构两主轴方向同时设置，且宜上下连续，平面上宜对称布置。

3）斜支撑框架结构进行计算分析时，斜撑端部宜按铰接。实际上，斜支撑主要以拉压受力方式为主，斜撑通过节点将一部分竖向和水平力传递到相连接的梁柱，造成梁端、跨中弯矩的减小和柱轴力的增加。斜支撑框架结构的轴压比可适当增大。因此，框架结体系宜实现“强柱-中梁-弱腹杆”的抗震设计原则，使斜支撑成为第一道抗震防线[3]。

4）水平地震作用下，框架部分承担的地震作用应按纯框架和带有斜支撑框架结构2种模型计算，取二者的最大值。

5）斜支撑框架结构的最大位移角限值宜按框架结构和框架剪力墙限值的平均值计算。

4 结语

钢筋混凝土斜支撑框架结构是一种介于框架结构和框架剪力墙结构的组合结构体系。其相比框架结构，侧向刚度得到了显著提高，又具有较强的延性，结构布置上也可以充分发挥框架结构的优点；相比框架剪力墙结构，其避免了框架剪力墙刚度过大、吸收地震作用较大的缺点，并能在一定程度上降低工程造价。钢筋混凝土斜支撑框架结构将成为一种具有良好的侧向刚度、延性以及多道抗震防线的抗震结构体系。

此外，随着我国装配式建筑结构的发展[4]，在框架结构中增设斜支撑，对于提高装配式框架结构的抗震效果也将起到很大的作用。